6.5~18GHz大功率双脊波导魔T研制

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京真空电子技术研究所 作者:孟晓君

  本文完成了一种6.5~18GHz大功率双脊波导魔T的仿真设计、结构振动模态分析、样品制造以及冷态和热态参量测试。实测性能为:端口驻波比优于1.55,合成臂幅度一致性优于0.2dB,合成臂相位一致性优于3°,E-H 臂隔离度优于31.5dB,平衡臂隔离度大于19.3dB,200W 连续波大功率下的合成效率达到86.9%;分析得到常压下峰值合成功率容量达到16kW,结构的一阶模态频率为5975Hz。该魔T适用于6.5~18GHz超宽带大功率合成应用。

  矩形波导魔T是带有匹配装置的双T接头,兼有E-T和H-T接头的特点。双脊波导魔T除具有普通矩形波导魔T的特点外,由于双脊的加载还具有了双脊波导的宽频带特性,频带可达到一个倍频程以上,作为合成器极其适用于超宽带微波大功率合成。图1为双脊波导魔T结构示意图。

双脊波导魔T结构

图1 双脊波导魔T结构

  图1中,1臂和2臂称为合成臂、平衡臂或等分臂,该两臂电长度一致;3臂为H 臂;4臂为E臂;H臂和E臂电长度一致。其理想传输特性为:当信号从3口输入时,1口和2口输出的信号等幅同相,4口无输出;当信号从4口输入时,1口和2口输出的信号等幅反相,3口无输出;当信号从1口输入时,信号从3口和4口等分反相输出,2口无输出;当信号从2口输入时,信号从3口和4口等分同相输出,1口无输出。因此双脊波导魔T作为功率合成应用时,根据网络互易性,信号从1、2口等幅同相输入,3口为功率合成输出口;或者信号从1、2口等幅反相输入,4口为功率合成口。理想魔T的散射矩阵可表达为式(1)。

6.5~18GHz大功率双脊波导魔T研制

  在实际应用中,合成效率η与魔T本身的损耗、非理想性、以及输入信号的一致性有关,包括:四个端口的反射损耗L1、波导管欧姆损耗L2、合成臂功率不平分性L3、合成臂相位不一致性L4、输入信号幅度不一致性L5、输入信号相位不一致性L6、合成臂隔离性L7、E-H 臂隔离性L8。总损耗为L =L1+L2+L3+L4+L5+L6+L7+L8,因此魔T合成效率η可表达为:

6.5~18GHz大功率双脊波导魔T研制

  因此,研制功率合成用的双脊波导魔T 要解决:①4个端口的宽带匹配性;②合成臂宽带功率平分性;③合成臂宽带相位一致性;④合成臂之间的宽带隔离性;⑤E-H 臂之间的宽带隔离性。在大功率宽带合成应用下的指标为:端口电压驻波比(VSWR)优于1.8;合成臂隔离度大于15dB;E-H隔离度大于30dB;合成臂的功率平分一致性优于0.3dB、相位一致性优于5°、插损小于0.5dB。

1、电性能仿真设计

  如图2(1为金属圆杆,2为金属翅片,3为金属膜片),双脊波导魔T的匹配性与隔离性是利用特别设置的阻抗匹配调节元件———金属圆杆、金属翅片、金属膜片和尺寸渐变综合实现的。利用金属圆杆和金属翅片的位置、粗细、高度和双脊的渐变来调节1、2、H 臂的匹配,E臂的匹配靠安置在一个其表面与4口电场方向相平行的金属膜片的尺寸和位置以及双脊的渐变来调节,同步实现隔离性指标。而合成臂的一致性依赖于加工,不是仿真设计的重点。

大功率双脊波导魔T结构图

图2 大功率双脊波导魔T结构图

  利用CST微波仿真技术,建立了WRD650双脊波导魔T的全参量化模型,材料为铝。对模型进行了关键尺寸的优化仿真,仿真中发现,波导双脊渐变幅度、长度,接头处匹配金属圆杆的高度、粗细、位置,金属翅片的位置、形状以及金属膜片的尺寸、位置均对宽带波导魔T的匹配和隔离度影响很大,匹配性与隔离性相关,特别是隔离性与尺寸精度和位置精度强烈相关,只能折中选择匹配和隔离,这也意味着匹配调节零件的加工与装配必须为高尺寸精度和高位置精度。另外,对E臂和H 臂波导口长边尺寸进行收缩变化,对展宽频带有一定作用。经过优化设计,最终的电性能仿真结果如图3所示,在6.5~18GHz,四个端口匹配驻波均在1.4以下,E-H臂隔离度S34大于70dB;合成臂隔离度S21大于18.5dB;平分性能良好,S31与S32高度重合,差值(功率平分不一致性)几乎为零;合成臂插损最大约0.11dB。

电性能仿真

图3 电性能仿真

2、功率容量和振动模态分析

  限制波导魔T功率容量的主要原因为射频功率打火,波导对接处用于匹配调节的金属翅片、金属圆杆、金属膜片等的引入均引起了波导传输线路的不连续性,对电场分布产生很大影响,使某些部位的电场比较集中,对这些部位进行射频击穿分析就可以得到魔T的功率容量。在魔T的仿真建模和优化设计中要充分考虑各元件之间的距离以及采取消除元件尖角等措施来提高功率容量。本设计中,位于E臂双脊之间时的金属翅片与脊之间的距离是决定功率容量的最小距离,距离设计值为1mm。

  由于目前还缺乏对射频击穿的专业仿真手段,因此采用CST电磁仿真软件对其进行了场强分析。从图4中波导魔T场强分布可以得出,当3口输入1W 功率时,最大场强出现在f=6.5GHz时的金属翅片处,为3.26×104 V/m,查空气击穿的帕邢曲线可以得出本双脊波导魔T在常压下的峰值合成功率容量约为16kW。

  在仿真基础上完成了本魔T的结构设计,共用4个零件实现,其中3个零件实现魔T的主体结构,之间用定位销钉和螺钉定位与紧固;另一零件为阻抗匹配调节元件———金属圆杆,用定位通孔和螺纹孔实现横向定位与深度调节,调节完成后用激光焊进行端面焊接固定。整个结构的强度较高,但调节金属圆杆为细长单悬臂状态,因此需要进行机载力学环境的结构共振分析,只要一阶模态频率高于2000Hz就不存在结构上的问题。用ABAQUS结构力学软件对其进行了结构建模和振动模态分析,得到一阶模态频率为5975Hz,振型为E臂向平衡臂振动;二阶模态振动频率为7455Hz,匹配金属圆杆振动幅度最大,向H 臂振动,如图5所示。模态振动频率远远高于魔T应用力环境所要求的最高振动频率2000Hz,因此不存在机载应用环境下的共振问题。

合成臂1W 下的魔T电场分布计算结果

图4 合成臂1W 下的魔T电场分布计算结果

1阶和2阶模态振型与频率分析结果

图5 1阶和2阶模态振型与频率分析结果

3、试验与结论

  以高精度的加工和装配方式制作了样品,样品的S 参数测试结果如图6所示,在6.5~18GHz频带内,四个端口的驻波比均优于1.55,合成臂幅度一致性优于0.2dB,合成臂相位一致性优于3°,E-H臂隔离度大于31.5dB,合成臂隔离度大于19.3dB,合成臂插损优于0.5dB,均满足实际应用要求。主要参量与仿真值一致,隔离度降低较多,主要原因为工艺过程的不理想所致。

样品S 参数的测试结果

图6 样品S 参数的测试结果

  对宽带魔T合成效率进行了测试,选择6.5,12和18GHz三个频点,分别进行了小功率测试(以矢网的输出分路作为输入源)和大功率测试(以两支200W 大功率连续波相位一致行波管为输入源),表1给出了18GHz的测试结果,小信号合成效率达到了91.1%,大信号合成效率86.9%,其他频点均优于此数据。主要参量与仿真值一致,隔离度降低较多,主要原因为工艺过程的不理想所致;大信号与小信号相比合成效率和隔离度降低的原因主要为:作为输入源的两支行波管的相位、幅度不一致性所致。

表1 合成效率测试结果(18GHz)

合成效率测试结果

大功率双脊波导魔T照片

图7 大功率双脊波导魔T照片

  图7给出了样品照片,与国外的同类产品测试结果相比,本研制的魔T技术水平相当,且已经成功用于6.5~18GHz的400W 大功率合成器中。

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